KR101863058B1 - METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING high purity BIOMETHANE WITH VARIABLE OPERATION - Google Patents
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Abstract
바이오메탄 정제 방법 및 정제 장치에 관한 것으로, 바이오 가스를 압축하는 단계; 상기 압축된 바이오 가스를 제 1 고분자 분리막으로 투입하여, 제 1 잔류부 스트림 및 제 1 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 1 잔류부 스트림을 제 2 고분자 분리막으로 투입하여, 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계; 및 상기 제 2 투과부 스트림을 제 4 고분자 분리막으로 투입하여 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리하는 단계;를 포함하는, 바이오메탄 정제 방법 및 이를 수행할 수 있는 정제 장치를 제공할 수 있다.The present invention relates to a biomethane purification method and a purification apparatus, comprising: compressing biogas; Separating the compressed biogas into a first residual stream and a first permeate stream; Introducing the first residual substream into a second polymer separator to separate into a second residual substream and a second permeate stream; Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream, or introducing the second residual substream into a methane recovery unit; And separating the second permeate stream into a fourth residual permeate stream and a fourth permeate stream by introducing the second permeate stream into the fourth polymer separator, and a purification device capable of performing the same, can be provided .
Description
본 발명은, 바이오 가스로부터 고순도의 바이오메탄을 정제하기 위한 다단계 막분리 정제 방법 및 정제 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stage membrane separation purification method and purification apparatus for purifying high purity biomethane from biogas.
음식물 쓰레기, 유기성 폐기물, 축산 폐수 등이 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스는 약 50 부피% 이상 75 부피% 이하의 메탄, 약 25 부피% 이상 50 부피% 이하의 이산화탄소로 주로 구성되어 있으며, 불순물로 약 0.1 부피% 미만의 산소 또는 공기, 약 2,000 ppm 이상 8,000 ppm 이하의 황화수소, 약 1 ppm 이상 40 ppm 이하의 실록산, 약 50 ppm 이상 200 ppm 이하의 암모니아 등 기타 미량의 성분들을 포함한다. Biogas produced by anaerobic digestion of food waste, organic waste, livestock wastewater, etc. is composed mainly of about 50% by volume to 75% by volume of methane, about 25% by volume to 50% by volume of carbon dioxide, Less than about 0.1 vol.% Oxygen or air, about 2,000 ppm to less than 8,000 ppm hydrogen sulfide, less than about 1 ppm to less than 40 ppm siloxane, less than about 50 ppm to less than 200 ppm ammonia, and the like.
바이오 가스의 주성분인 메탄은 이산화탄소에 비해 지구온난화에 미치는 기여도는 약 20 배 정도인데, 온실기체 중 약 49 부피%를 차지하는 이산화탄소에 뒤를 이은 약 18 부피%를 차지할 정도로 기여도가 큰 온실기체로 지정되어 있다.Methane, a major component of biogas, contributes about 20 times more to global warming than carbon dioxide, and is designated as a greenhouse gas with a contribution of about 18 vol%, which is about 49 vol% of greenhouse gases, followed by carbon dioxide have.
하지만, 메탄가스는 자체 에너지양이 5,000 kcal/m3에 달하며, 신재생에너지 측면에서 이산화탄소의 발생효과가 없는 자원재활용이 가능한 청정 신재생 에너지원으로 평가되고 있어, 이를 회수하여 에너지원으로 사용하려는 기술적 연구가 지속적으로 수행되고 있다.However, since methane gas has an energy amount of 5,000 kcal / m 3 , it is evaluated as a clean and renewable energy source that can recycle resources that have no CO2 effect in terms of renewable energy. Technical research is being carried out continuously.
바이오 가스 내 바이오 메탄을 자원화하는 방법은 직접연소, 전기 생산, 도시가스로의 공급, 자동차 연료로의 사용 등이 있으며, 메탄가스의 발생 배경 및 경제성에 따라 다양한 활용방법을 선정 및 개발하고 있다. Methods of recycling biomethane in biogas include direct combustion, electricity production, supply to city gas, and use as fuel for automobiles. Various methods of utilization are selected and developed depending on the background and economics of methane generation.
이 중에서 가장 경제성과 에너지 이용 효율이 높은 기술은, 바이오 가스 중에서 메탄 농도, 즉 에너지 함량을 고순도로 높이는 정제 과정을 거쳐 도시 가스나 자동차 연료로 사용할 수 있는 95 부피% 이상의 고순도의 메탄가스 연료를 제조하는 것이다. 정제된 메탄을 도시 가스나 자동차 연료로 활용하는 것은, 전기 발전에 활용하는 것에 비해 경제성이 높다. 이에, 최근 스웨덴, 독일을 비롯하여 전세계적으로 정제된 메탄 가스를 고순도 연료로 이용하는 추세이다. 또한, 고순도화된 메탄 가스는 별도의 설비의 교체 없이 기존의 도시가스용 기기와 천연가스자동차 등에 사용될 수 있다. 이에, 다음 세대의 청정 바이오 에너지로 받아들여지고 있으며 신재생에너지의 선진국인 스웨덴, 독일 등은 자동차 연료나 도시가스를 천연가스에서 바이오 가스로 대체하고자 국가정책을 수립하고 있다.Among these, the most economical and energy-efficient technology is to refine the methane concentration, that is, the energy content of the biogas to a high purity, to produce a methane gas fuel of 95 vol% or more that can be used as city gas or automobile fuel . Utilizing refined methane as city gas or automobile fuel is more economical than electricity generation. Recently, refined methane gas has been used as high purity fuel in Sweden and Germany and worldwide. In addition, the high purity methane gas can be used for conventional city gas appliances, natural gas vehicles, and the like, without replacing any equipment. Therefore, it is accepted as the next generation of clean bio energy. Sweden and Germany, which are advanced countries of renewable energy, are establishing national policy to replace automobile fuel and city gas with natural gas to biogas.
이와 같은 바이오 가스를 고순도화하기 위한 분리 공정 및 플랜트와 그 운전조건에 대해 다양한 기술들이 개발되어 오고 있다. 바이오 메탄의 고순도화 기술은 다양한 성분이 불순물로 남아 있는 바이오 가스에서 크게 실록산, 암모니아, 황화수소, 수분 등을 제거하는 전처리 기술과 남은 이산화탄소와 메탄을 분리하는 탈이산화탄소 분리 기술로 구성된다. 이 중 탈이산화탄소 제거 분리기술은 크게 저온에서 직접분리하는 심냉법(cryogenic), 물이나 아민류를 사용한 흡수법(Physical or chemical absorption), 제올라이트, 카본분자흡착제를 사용한 압력변화 흡착법(Pressure swing adsorption)법, 또는 고 메탄선택성 고분자 분리막을 이용한 분리막 공정(membrane separation) 등으로 나눌 수 있다. A variety of techniques have been developed for the separation process for making the biogas highly purified, the plant, and the operation conditions thereof. The high purity technology of biomethane consists of pretreatment technology to remove siloxane, ammonia, hydrogen sulfide, water and so on in biogas, where various components remain as impurities, and de-carbon dioxide separation technology to separate the remaining carbon dioxide and methane. Among them, the removal of carbon dioxide is largely based on the cryogenic method of separating directly at low temperature, the physical or chemical absorption using water or amines, the pressure swing adsorption method using zeolite or carbon molecular sorbent , Or membrane separation using a high methane-selective polymer membrane.
그러나, 상술한 발명 중 흡수법 또는 흡착법을 통한 메탄 정제방법은, 이산화탄소 흡수공정이나 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정을 사용함으로써, 플랜트의 설치비용이 높아지고, 공정 운용비용이 많이 발생하고, 소규모의 장치 구성이 불가능한 문제, 정제 효율이 떨어지는 문제, 공정이 복잡하고 에너지가 많이 소용되는 등의 문제점이 있다. However, in the methane purification method using the absorption method or the adsorption method, the use of the carbon dioxide absorption process or the pressure swing adsorption (PSA) process in the above-described invention increases the installation cost of the plant, , A problem that a small-sized apparatus can not be constructed, a problem of poor purification efficiency, a complicated process, and a large amount of energy are consumed.
따라서, 이들 방법 중 국내 유지보수가 용이하고 메탄순도가 높은 분리막법에 대한 연구가 주목받고 있다. 분리막법은 다른 분리법에 비해 건식으로 운전이 가능하므로 겨울철에 유리하고, 유독한 흡수제를 사용하지 않아 환경친화적이며 플랜트의 비용이 작고 운전비용이 낮으며 스케일업-스케일다운 등이 용이한 특징이 있다.Therefore, research on membrane separation method which is easy to maintain in Korea and high methane purity among these methods is getting attention. The separation membrane method is advantageous in winter because it can be operated by dry method as compared with other separation method, and is environment friendly because it does not use toxic absorber, and the plant cost is low, operation cost is low, and scale up-scale down is easy .
분리막 공정에서 메탄의 농도와 회수율이 가장 중요한 목표인데 1 단 분리막공정에서 보통 60 ~ 75 %의 회수율을 보이고 있다. 이에 따라 메탄의 회수율을 높이기 위해 분리막을 2 단으로 직렬로 연결하고 1 단 분리막의 투과부는 소각처리하고 2 단 분리막의 투과부를 재순환시키는 2 단 분리막 재공정과 분리막을 2 단 재순환분리막 공정에서 1 단 분리막의 투과부를 3 단 분리막에 재통과시키며 2 단 분리막의 투과하지 않은 메탄가스를 재순환시키는 3 단 분리막 재순환공정 등이 개발되고 있다.Methane concentration and recovery rate are the most important targets in the separation membrane process, and the recovery rate is usually 60 ~ 75% in the first separation membrane process. In order to increase the recovery rate of methane, the separation membrane is connected in series in two stages, the permeate of the first separation membrane is incinerated and the permeate portion of the second separation membrane is recirculated, and the separation membrane is separated into two stages A three-stage membrane recycling process in which the permeate portion of the separation membrane is re-passed through the three-stage separation membrane and the untransmitted methane gas of the two-stage separation membrane is recycled is being developed.
일 예로, 일본 공개특허공보 제2009-242773호에서는 3 단 분리막 공정이 개시된 바 있다. 상세하게 상기 문헌에 개시된 메탄 농축 장치는, 적어도 메탄가스와 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스로부터 이산화탄소를 분리하고 메탄가스를 농축하는 메탄가스 농축 장치이고, 상기 혼합 가스로부터 이산화탄소를 우선적으로 투과시킨 분리막에 의하여 메탄가스를 농축하는 제1 농축 장치와, 상기 제1 농축 장치의 비투과 가스로부터 이산화탄소를 우선적으로 투과시키는 분리막에 의하여 메탄가스를 더욱 농축하는 제2 농축 장치와, 상기 제1 농축 장치의 투과 가스로부터 또한 이산화탄소를 우선적으로 투과시킨 분리막에 의하여 메탄가스를 회수하는 회수 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 메탄가스 농축 장치이고, 분리막으로는 폴리이미드를 사용하는 것이 가장 바람직하다고 기술되어 있다.For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-242773 discloses a three-step separation membrane process. Specifically, the methane concentration apparatus disclosed in the above document is a methane gas concentration apparatus for separating carbon dioxide from a gas mixture containing at least methane gas and carbon dioxide and concentrating the methane gas. By the separation membrane that has preferentially permeated carbon dioxide from the gas mixture, A first concentration device for concentrating methane gas, a second concentration device for further concentrating the methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the non-permeable gas of the first concentration device, And a recovery device for recovering methane gas by a separation membrane that has preferentially permeated carbon dioxide. It is described that polyimide is most preferably used as the separation membrane.
상기 문헌에서는 온도나 막 면적 등에 대한 공정조건이 구체화되어 잇지 않다. 이에, 상업적으로 적용되었을 때, 메탄을 높은 순도와 높은 회수율을 얻을 수 있을 구체적인 실현 가능성이 적은 문제가 있다.The process conditions for temperature, film area, and the like are not specified. Therefore, when it is applied commercially, there is a problem that the specific feasibility of achieving high purity and high recovery rate of methane is low.
한편, 바이오 가스는 음식물 쓰레기, 유기성 폐기물, 축산 폐수 등의 발생지에 따라 메탄의 함량이 다양한 분포를 보인다. 또한, 동일한 발생지에서 발생하더라도, 성상에 따라 계절에 따라 메탄의 함량이 변화한다. Biogas, on the other hand, has a diverse distribution of methane content depending on the source of food waste, organic waste, and livestock wastewater. In addition, even if they occur at the same site, the content of methane varies according to season depending on the property.
그런데, 고정 운전 방식의 정제 장치를 사용하는 경우, 원료 바이오 가스 내 메탄 함량의 변화에 대한 대응이 어려워, 자동차 연료 등으로 사용되기에 적합한 고순도의 바이오 메탄을 균일한 순도로 정제해 내기 어려운 문제점이 있다.However, in the case of using the refining apparatus of the fixed operation type, it is difficult to cope with the change of the methane content in the raw material biogas, and it is difficult to purify the high purity biomethane suitable for use as automobile fuel with uniform purity have.
이와 같은 문제점을 해결하고, 바이오가스로부터 고순도 및 고회수율로 바이오메탄을 안정적으로 정제하기 위한 다단 분리막 공정에 관한 기술에 관한 연구가 지속되고 있다.Research on techniques for multi-stage separation membrane process for solving such problems and stably refining biomethane from biogas at a high purity and a high recovery rate is continuing.
본 발명은, 바이오 가스로부터 안정적으로 고순도로 바이오메탄을 정제할 수 있는, 가변 운전이 가능한 다단계 막분리 바이오메탄 정제 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a multistage membrane-separated biomethane purification method capable of variable operation with which biomethane can be purified from biogas stably with high purity.
본 발명은, 바이오 가스로부터 안정적으로 고순도로 바이오메탄을 정제할 수 있는, 가변 운전이 가능한 다단계 막분리 바이오메탄 정제 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a multi-stage membrane-separated biomethane purification apparatus capable of stable operation with high purity of biomethane from biogas and capable of variable operation.
본 발명의 일 양태는, 바이오 가스를 압축하는 단계; 상기 압축된 바이오 가스를 제 1 고분자 분리막으로 투입하여, 제 1 잔류부 스트림 및 제 1 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 1 잔류부 스트림을 제 2 고분자 분리막으로 투입하여, 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계; 및 상기 제 2 투과부 스트림을 제 4 고분자 분리막으로 투입하여 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리하는 단계;를 포함하는, 바이오메탄 정제 방법을 제공한다.One aspect of the present invention provides a method for producing a biogas, comprising: compressing a biogas; Separating the compressed biogas into a first residual stream and a first permeate stream; Introducing the first residual substream into a second polymer separator to separate into a second residual substream and a second permeate stream; Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream, or introducing the second residual substream into a methane recovery unit; And separating the second permeate stream into a fourth residual permeate stream and a fourth permeate stream by injecting the second permeate stream into the fourth polymer separator.
상기 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비는 0.4 이상 0.7 이하인 것일 수 있다.The pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane may be 0.4 or more and 0.7 or less.
상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계;에서, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림은 상기 메탄 회수부로 투입되고, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림은 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입되는 것일 수 있다.Separating the second residual sub-stream into a third residual stream and a third permeate stream, or introducing the second residual sub-stream into a methane recovery section, wherein the step of compressing the biogas Wherein the second residual stream is introduced into the methane recovery section when the content of methane is 68 vol% or more and 75 vol% or less based on 100 vol% of the total volume of the biogas, Is less than 60 vol% and less than 68 vol% with respect to 100 vol% of the total volume of the biogas, the second residual substream may be introduced into the third polymer separator.
상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 2 이상 10 이하 : 0.5 이상 3 이하 : 0.5 이상 3 이하이고, 상기 제 2 고분자 분리막 및 제 3 고분자 분리막의 막면적 비는 1: 0.3 이상 0.7 이하인 것일 수 있다.Wherein the film area ratio of the first to fourth polymeric membranes is 1: 2 or more and 10 or less: 0.5 or more and 3 or less: 0.5 or more and 3 or less, and the membrane area ratio of the second polymeric membrane and the third polymeric membrane is 1: 0.3 or more 0.7 or less.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 방법은, 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계;에서 상기 제 2 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입하는 경우, 상기 제 3 고분자 분리막에서 상기 제 2 잔류부 스트림은 제 3 잔류부 스트림 및 3 투과부 스트림으로 분리되고, 상기 제 3 투과부 스트림을 상기 압축하는 단계의 압축 공정 전으로 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention may further include the step of selectively introducing the second residual sub-stream into the third polymer separator to separate the third residual stream and the third permeate stream into a methane recovery unit The second residual substream in the third polymer separator is separated into a third residual substream and a third permeate stream, and when the third permeate stream is separated from the third polymer separator, To the compression step of the compressing step.
상기 정제된 바이오메탄의 순도는 98% 이상인 것일 수 있다.The purity of the purified biomethane may be 98% or more.
본 발명의 다른 일 양태는, 바이오 가스 공급부; 상기 바이오 가스 공급부에서 공급된 바이오 가스를 압축하는 압축부; 상기 압축부에서 압축된 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한, 제 1 고분자 분리막의 잔류부 스트림은 제 2 고분자 분리막과 연결되고, 제 2 고분자 분리막의 투과부 스트림은 제 4 고분자 분리막과 연결되되, 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림은 선택적으로 메탄 회수부 또는 제 3 고분자 분리막과 연결되는 기체분리용 고분자 분리막을 포함하는 정제부;를 포함하 바이오메탄 정제 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a biogas supply unit comprising: a biogas supply unit; A compression unit for compressing the biogas supplied from the biogas supply unit; The remaining substream of the first polymer separation membrane for removing carbon dioxide from the compressed gas in the compression section is connected to the second polymer separation membrane, the permeate stream of the second polymer separation membrane is connected to the fourth polymer separation membrane, And a purification section including a polymer separation membrane for gas separation, which is selectively connected to the methane recovery section or the third polymer separation membrane, in the residual secondary stream of the separation membrane.
상기 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비는 0.4 이상 0.7 이하로 조절되는 것일 수 있다.The pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane may be adjusted to be 0.4 or more and 0.7 or less.
상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 2 이상 10 이하 : 0.5 이상 3 이하 : 0.5 이상 3 이하이고, 상기 제 2 고분자 분리막 및 제 3 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 0.3 이상 0.7 이하인 것일 수 있다.Wherein the film area ratio of the first to fourth polymeric membranes is 1: 2 or more and 10 or less: 0.5 or more and 3 or less: 0.5 or more and 3 or less, and the membrane area ratio of the second polymeric membrane and the third polymeric membrane is 1: 0.3 or more 0.7 or less.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 상기 제 2 고분자 분리막 및 메탄 회수부를 연결하고, 상기 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 메탄 회수부로 이송하는 제 2-1 잔류부 스트림 유로; 및 상기 제 2 고분자 분리막 및 상기 제 3 고분자 분리막을 연결하고, 상기 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 이송하는 제 2-2 잔류부 스트림 유로;를 포함할 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention may further include a second-1 remaining sub-stream flow path for connecting the second polymer separation membrane and the methane recovery section and transferring the residual fraction stream of the second polymer separation membrane to the methane recovery section, ; And a second-2 residual stream flow passage connecting the second polymer separation membrane and the third polymer separation membrane, and transferring the remaining secondary stream of the second polymer separation membrane to the third polymer separation membrane.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로에 구비되어, 상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로의 개폐를 조절하는 제 1 유로개폐수단; 및 상기 제 2-2 잔류부 스트림 유로에 구비되어, 상기 제 2-2 잔류부 스트림 유로의 개폐를 조절하는 제 2 유로개폐수단;을 더 포함할 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention comprises: a first flow path opening / closing means provided in the second-1 residual flow path for regulating opening / closing of the second-1 remaining flow path; And a second flow path opening / closing means provided in the second-2 residual flow path passage for controlling the opening and closing of the second-2 residual flow path passage.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄의 함량을 측정하는 측정센서; 및 상기 측정센서, 제 1 유로개폐수단, 및 제 2 유로개폐수단과 연결된 컨트롤러;를 더 포함할 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention includes a measurement sensor for measuring a content of methane in a biogas to be introduced into the compression unit; And a controller connected to the measurement sensor, the first flow path opening / closing means, and the second flow path opening / closing means.
상기 측정센서는 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄의 함량을 감지, 및 전기적 신호 형태로 변환하여, 상기 전기적 신호를 상기 컨트롤러로 전달하며, 상기 컨트롤러는, 미리 설정된 기준에 따라 상기 측정센서로부터 전달받은 전기적 신호를 판단하여, 상기 제 1 유로개폐수단 및 상기 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하는 것일 수 있다.Wherein the measurement sensor senses the amount of methane in the biogas to be supplied to the compression unit and converts the amount of methane into an electrical signal form to transfer the electrical signal to the controller, And to control opening and closing of the first flow path opening / closing means and the second flow path opening / closing means.
상기 컨트롤러는, 상기 측정센서로부터 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄 함량이 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우에 해당하는 신호를 받은 경우, 상기 제 1 유로개폐수단은 열리고, 상기 제 2 유로개폐수단은 닫히도록 상기 제 1 유로개폐수단 및 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하고, 상기 측정센서로부터 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄 함량이 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우에 해당하는 신호를 받은 경우, 상기 제 2 유로개폐수단은 열리고, 상기 제 1 유로개폐수단은 닫히도록 상기 제 1 유로개폐수단 및 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하는 것일 수 있다.Wherein the controller is configured to control the amount of methane contained in the biogas to be supplied to the compression unit from the measurement sensor when the amount of methane contained in the biogas is greater than or equal to 68 vol% and less than or equal to 75 vol% The first flow path opening and closing means is opened and the second flow path opening and closing means is closed so as to close the first flow path opening and closing means and the second flow path opening and closing means, The second flow path opening / closing means is opened and the first flow path opening / closing means is closed when receiving a signal corresponding to 60 vol% or more and less than 68 vol% with respect to 100 vol% of the total volume of the biogas put into the compression portion And the opening and closing of the first flow path opening / closing means and the second flow path opening / closing means may be controlled.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 상기 제 3 고분자 분리막 및 상기 압축부와 연결되고, 상기 제 3 고분자 분리막의 투과부 스트림을 상기 압축부로 재순환시키는 제 3 투과부 스트림 재순환 유로를 더 포함할 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention further includes a third permeate flow recirculation conduit connected to the third polymer separator and the compression section and recirculating the permeate stream of the third polymer separator to the compression section can do.
상기 제 4 고분자 분리막 및 상기 압축부와 연결되고, 상기 제 4 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 압축부로 재순환시키는 제 4 잔류부 스트림 재순환 유로를 더 포함할 수 있다.And a fourth residual substream recirculation flow channel connected to the fourth polymer separation membrane and the compression unit and recirculating the remaining substream of the fourth polymer separation membrane to the compression unit.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 상기 압축부 및 상기 제 1 고분자 분리막과 연결되는 냉각부를 더 포함할 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention may further include a cooling unit connected to the compression unit and the first polymer separator.
본 발명에 따른 바이오메탄의 정제 방법 및 정제 장치는, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 공정의 가변 운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 농도에 무관하게 고순도의 바이오메탄을 안정적으로 정제할 수 있다. 이에, 하나의 설비만으로 다양한 종류의 바이오 메탄의 정제가 가능하며, 계절 등에 따라 발생하는 바이오 가스 내 메탄의 농도가 변화하는 환경에서도 고순도의 바이오메탄을 안정적으로 정제할 수 있다.The method and the apparatus for purifying biomethane according to the present invention enable variable operation of the process according to the content of methane in the raw biogas and can stably purify high purity biomethane regardless of the concentration of methane in the raw biogas . Therefore, it is possible to purify various types of biomethane by only one facility, and it is possible to purify high purity biomethane stably even in an environment where the concentration of methane in the biogas changes depending on seasons.
또한, 정제 상황에 따라 가변적인 공정의 운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 효율적인 분리가 가능하며, 바이오메탄 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용의 저감 효과를 기대할 수 있다.In addition, it is possible to operate the process variable according to the purification situation, so that efficient separation can be performed according to the content of methane in the raw material biogas, and the lifetime of the biomethane purification apparatus can be increased and the maintenance cost can be reduced.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른, 바이오메탄 정제 장치의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a biomethane purification apparatus according to an embodiment of the present invention.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise. Also, singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, 다른 정의가 없는 한, "미량의 A 및 다량의 B" 또는 "다량의 A 및 미량의 B"의 문구에서의 미량 및 다량은, 해당 문구가 수식하는 기체 스트림 내 A 및 B의 상대적인 함량을 의미한다.As used herein, unless otherwise defined, traces and amounts in the phrases "traces A and B" or "traces A and traces B" refer to traces of A and B Relative content.
본 명세서에서 다른 정의가 없는 한, '제 x 고분자 분리막의 잔류부 스트림'은 '제 x 잔류부 스트림'과 혼용되어 사용되며, '제 x 고분자 분리막의 투과부 스트림'은 '제 x 투과부 스트림'과 혼용되어 사용된다.Unless defined otherwise herein, the 'residual x-ray stream of polymer x separator' is used interchangeably with the 'x-x residual stream', and the 'x-ray polymer stream permeate stream' Used in combination.
전술한 바와 같이 본 발명은, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 공정의 가변 운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 농도에 무관하게 고순도의 바이오메탄을 안정적으로 정제할 수 있는 바이오메탄 정제방법 및 정제장치를 제공한다.As described above, the present invention provides a biomethane purification method capable of stably refining high-purity biomethane regardless of the concentration of methane in raw biogas, by allowing variable operation of the process depending on the content of methane in the raw biogas And a purification device.
이에, 하나의 설비만으로 다양한 종류의 바이오 메탄의 정제가 가능하며, 계절 등에 따라 발생하는 바이오 가스 내 메탄의 농도가 변화하는 환경에서도 고순도의 바이오메탄을 안정적으로 정제할 수 있다.Therefore, it is possible to purify various types of biomethane by only one facility, and it is possible to purify high purity biomethane stably even in an environment where the concentration of methane in the biogas changes depending on seasons.
또한, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 3단 또는 4단 분리막 분리 공정으로 가변운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 효율적인 분리가 가능하며, 이에 따라 바이오메탄 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용의 저감 효과를 기대할 수 있다. In addition, according to the content of methane in raw material biogas, variable operation can be performed by a three-stage or four-stage separation membrane separation process, and efficient separation can be performed according to the content of methane in raw biogas. And the effect of reducing the maintenance cost can be expected.
구체적으로, 본 발명의 일 양태는, 바이오 가스를 압축하는 단계; 상기 압축된 바이오 가스를 제 1 고분자 분리막으로 투입하여, 제 1 잔류부 스트림 및 제 1 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 1 잔류부 스트림을 제 2 고분자 분리막으로 투입하여, 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계; 및 상기 제 2 투과부 스트림을 제 4 고분자 분리막으로 투입하여 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리하는 단계;를 포함하는, 바이오메탄 정제 방법을 제공한다. Specifically, one aspect of the present invention provides a method for producing a biogas, comprising: compressing a biogas; Separating the compressed biogas into a first residual stream and a first permeate stream; Introducing the first residual substream into a second polymer separator to separate into a second residual substream and a second permeate stream; Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream, or introducing the second residual substream into a methane recovery unit; And separating the second permeate stream into a fourth residual permeate stream and a fourth permeate stream by injecting the second permeate stream into the fourth polymer separator.
이는, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량의 변화에 따라 가변 운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량과 무관하게 98% 이상의 고순도의 바이오메탄을 안정적으로 정제할 수 있는 정제 방법이다. 상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막은 상대적으로 이산화탄소를 메탄보다 더 잘 투과시키는 재질 내지 물질로 이루어진 것일 수 있다. 이에, 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스가 상기 고분자 분리막을 통과하면, 투과부 스트림의 조성은 다량의 이산화탄소 및 상대적으로 미량의 메탄가스로 조절되며, 잔류부 스트림의 조성은 다량의 메탄가스 및 상대적으로 미량의 이산화탄소로 조절된다. This is a purification method capable of stably refining biomethane with high purity of 98% or more, regardless of the content of methane in the raw material biogas, because the variable operation can be performed according to the change of the content of methane in the raw biogas. The first to fourth polymeric membranes may be made of a material or a material that transmits relatively more carbon dioxide than methane. Thus, when the biogas containing methane and carbon dioxide pass through the polymer separator, the composition of the permeate stream is controlled by a large amount of carbon dioxide and a relatively small amount of methane gas, and the composition of the residual sub- It is controlled by a trace amount of carbon dioxide.
이하, 상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄의 정제 방법에 대해 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for purifying biomethane according to one embodiment of the present invention will be described in detail for each step.
상기 바이오 가스를 압축하는 단계는, 바이오 가스로부터 막분리 공정을 통해 고순도의 메탄가스를 정제하기 위해 적절한 압력으로 압축하는 단계이다.The step of compressing the biogas is a step of compressing the biogas to an appropriate pressure to purify methane gas of high purity through a membrane separation process.
상기 압축하는 단계의 압축은, 특정 방법 또는 특정 장치를 이용한 방법에 한정되지 않으며, 기체를 압축시킬 수 있는 방법 내지 장치를 이용하는 것이라면 모두 사용이 가능하다.The compression of the compressing step is not limited to a specific method or a method using a specific apparatus, and any method can be used as long as the method or apparatus capable of compressing the gas is used.
이 때, 압축은, 상부의 바이오 가스의 압력이 3 bar 이상 100 bar 이하가 되도록 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 5 bar 이상 30 bar 이하가 되도록 수행될 수 있다. 상부의 바이오 가스의 압력이 너무 작은 경우 고분자 분리막의 낮은 선택도로 인해 분리막 공정의 상부압력 및 하부 압력의 비(상부압력/하부압력)가 저하되어, 메탄의 순도 및 회수율이 크게 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 상부의 바이오 가스의 압력이 너무 큰 경우, 분리막 공정에서 분리막이 이산화탄소에 의해 가소화되어 분리막의 선택도가 하락될 수 있다. 이에, 최종적으로 정제되는 메탄의 순도 및 회수율이 낮아지거나 분리막이 파손되는 문제가 발생할 수 있다.At this time, the compression may be performed such that the pressure of the upper biogas is 3 bar or more and 100 bar or less, preferably 5 bar or more and 30 bar or less. If the pressure of the upper portion of the biogas is too small, the ratio of the upper pressure and the lower pressure of the separation membrane process (lower pressure / lower pressure) is lowered due to the lower selection of the polymer separation membrane. . If the pressure of the upper portion of the biogas is too high, the separation membrane may be plasticized by the carbon dioxide in the separation membrane process, thereby deteriorating the selectivity of the separation membrane. Accordingly, the purity and recovery rate of the finally purified methane may be lowered, or the separation membrane may be damaged.
본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 방법은, 상기 압축하는 단계 이후에, 상기 압축된 바이오 가스를 온도조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 온도조절하는 단계는 압축된 바이오 가스를 냉각하는 단계인 것일 수 있는데, 이는, 압축하는 과정 중 발생한 압축열을 제거하여, 분리막 효율이 좋은 온도 범위로 바이오 가스의 온도를 조절하기 위함이다.The biomethane purification method according to an embodiment of the present invention may further include, after the compressing, regulating the temperature of the compressed biogas. Specifically, the temperature adjustment step may be a step of cooling the compressed biogas to remove the compression heat generated during the compression process to adjust the temperature of the biogas to a temperature range in which the separation membrane efficiency is good. to be.
상기 냉각하는 단계의 냉각은, 특정 방법 또는 특정 장치를 이용한 방법에 한정되지 않으며, 기체를 냉각시킬 수 있는 방법 내지 장치를 이용하는 것이라면 모두 사용이 가능하다.The cooling of the cooling step is not limited to a specific method or a method using a specific apparatus, and any method can be used as long as it uses a method or device capable of cooling the gas.
이때, 냉각은 바이오 가스의 온도가 -20 ℃ 이상 30 ℃ 이하가 되도록 수행될 수 있다. 상기 냉각된 바이오 가스의 온도가 -20 ℃ 미만으로 낮아지는 경우, 고분자 분리막의 선택도가 높아지지만 전체 분리막 장치의 냉각 비용이 높아지는 문제가 있고, 분리막이 얼어서 압력에 의해 쉽게 부서지는 문제가 발생할 수 있다. 냉각된 바이오 가스의 온도가 30 ℃를 초과하는 경우에는, 고분자 분리막의 선택도가 크게 낮아져 메탄회수율 및 순도가 낮아지며 분리막이 열로 인한 손상을 입을 수 있는 문제가 발생할 수 있다.At this time, cooling may be performed so that the temperature of the biogas becomes -20 캜 or more and 30 캜 or less. When the temperature of the cooled biogas is lowered to less than -20 ° C, the selectivity of the polymer separator is increased, but the cooling cost of the entire separator is increased, and there is a problem that the separator is frozen easily due to pressure have. When the temperature of the cooled biogas exceeds 30 캜, the selectivity of the polymer separator is significantly lowered, the methane recovery rate and purity are lowered, and the separator may be damaged due to heat.
상기 압축하는 단계의 바이오 가스는 상기 압축하는 단계 이전에 전처리하는 단계를 거친 것일 수 있다.The biogas in the compressing step may be pre-treated before the compressing step.
상기 바이오 가스는 일예로서, 불순물로 바이오 가스 총 부피 100부피%에 대하여 0.0001 부피% 이상 0.1 부피% 이하의 수분, 황화수소, 암모니아, 실록산, 질소 및 산소 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 바이오 가스의 조성은 일예로서, 메탄 약 60 % 이상 75 부피% 이하, 이산화탄소 약 25 % 이상 40 부피% 이하로 대부분을 메탄과 이산화탄소가 차지하고 있으며, 황화수소 약 1500 ppm 이상 2500 ppm 이하, 실록산 약 90 ppm 이상 100 ppm 이하, 수분 약 3500 ppm 이상 4500 ppm 이하를 포함할 수 있다. 이에, 상기 불순물들을 사전에 제거하기 위한 전처리가 수행될 수 있다.The biogas may include, for example, water, hydrogen sulfide, ammonia, siloxane, nitrogen, oxygen and the like in an amount of 0.0001 to 0.1 vol% based on 100 vol% of the total volume of the biogas as an impurity. The composition of the biogas includes, for example, about 60% to 75% by volume of methane, about 25% to about 40% by volume of carbon dioxide, methane and carbon dioxide mostly, hydrogen sulfide of about 1500 ppm to 2500 ppm, About 90 ppm or more and about 100 ppm or less, and about 3500 ppm or more and about 4500 ppm or less of moisture. Thus, a pretreatment for removing the impurities beforehand can be performed.
상기 전처리하는 단계는, 제습, 탈황, 탈암모니아 및 탈실록산 처리 등을 포함할 수 있다. 건식 탈황 및 건식 탈실록산의 전처리를 수행하는 경우, 탈황제 및 탈실록산제 등 각종 흡착제가 수분에 의해 엉겨 흡착능이 빠른 시간 내에 저하되는 것을 방지하기 위해, 상기 제습 처리를 먼저 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 습식탈황이나 습식암모니아의 제거공정이 도입되는 경우 바이오 가스의 제습 처리는 습식 공정의 후단에 설치되는 것이 분리막의 투과 특성을 보호하기 위해 바람직할 수 있다. 여기서 상기 제습 처리는 외부 냉각기(chiller)로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 튜브를 내장한 원통형 제습기에 원료 바이오 가스를 통과시키는 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.The pretreatment step may include dehumidification, desulfurization, deammonia and desiloxane treatment, and the like. In the case of performing the pretreatment of dry desulfurization and dry desiloxane, it may be preferable to perform the dehumidification treatment first in order to prevent various adsorbents such as desulfurizing agent and desiloxane agent from being entangled with moisture and deteriorating in adsorption capacity in a short time . On the other hand, when wet desulfurization or wet ammonia removal processes are introduced, it is preferable that the dehumidification treatment of the biogas is installed at the downstream end of the wet process in order to protect the permeation characteristics of the separation membrane. Here, the dehumidifying process may be performed by passing a raw material biogas through a cylindrical dehumidifier having a tube in which cooling water supplied from an external chiller is circulated, but the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 제습 처리는 가스의 이슬점 온도가 0 ℃ 이하가 되도록 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 더욱 바람직하게는, -5 ℃ 이상 -50 ℃ 이하에서 수행될 수 있다. 제습 처리된 가스의 이슬점 온도가 너무 높은 경우, 계속적인 공정에서 장치가 부식될 수 있는 문제가 발생할 수 있고, 이후의 공정에서 각종 흡착제에 엉김현상이 발생되어 흡착제의 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 최종 생산된 메탄가스를 자동차 연료 등으로 사용할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.In addition, it is preferable that the dehumidifying treatment is performed so that the dew point temperature of the gas becomes 0 캜 or lower. More preferably, it can be carried out at -5 deg. C or higher and -50 deg. C or lower. If the dew point temperature of the dehumidified gas is too high, there is a possibility that the apparatus may be corroded in a continuous process, and the adsorption of various adsorbents may occur in subsequent steps, And there is a problem that the final produced methane gas can not be used as an automobile fuel.
상기 탈황 처리는 건식탈황 또는 습식탈황으로 수행될 수 있다. 바이오 가스에 포함되어 있는 황화수소는 악취를 발생시키고, 기계의 부식을 유발하므로 이를 제거할 필요가 있다. 이때, 건식탈황 공정은 습식탈황 공정과 비교하여 친환경적이며, 추가 폐수 처리 공정이 불필요하여 공정 경제성이 우수하다. 다만, 상기 탈황 처리를 건식탈황처리에 한정하는 것은 아니다.The desulfurization treatment may be performed by dry desulfurization or wet desulfurization. Hydrogen sulphide contained in the biogas generates odor and causes corrosion of the machine, so it needs to be removed. At this time, the dry desulfurization process is environmentally friendly as compared with the wet desulfurization process, and an additional wastewater treatment process is unnecessary, thereby providing excellent process economics. However, the desulfurization treatment is not limited to the dry desulfurization treatment.
또한, 상기 탈황 처리는 산화철 탑에 의하여, 탈실록산 처리는 첨착활성탄 탑 및 실리카겔 탑에 의하여 수행될 수 있다. 상기 실록산은 정제 공정에서 사용되는 압축기 실린더 내부에서 발생하는 고열을 받거나, 최종 생산된 메탄가스가 자동차 등의 연료로 사용되는 경우 엔진 내부에서 연소됨으로써 장시간에 걸쳐 실리카(SiO2)가 생성되어 정제 공정 장치 또는 자동차 등의 엔진 표면에 고형물이 부착되어, 정제 공정 장치 또는 엔진의 부품 수명을 단축시킬 수 있으므로 이를 제거할 필요가 있다. 상기 산화철계 흡착제는 다량의 황화수소를 흡착하며, 미처 흡착되지 못한 황화수소는 성가 첨착활성탄 흡착제에 의해 흡착될 수 있다. 이때 일부의 실록산도 상기 첨착활성탄에 흡착될 수 있다. 상기 실록산은 실리카겔 탑에서 흡착 제거될 수 있다. 이와 같이 탈황 및 탈실록산 공정은 단일 흡착제로 구성되는 일반적인 탈황공정에 비하여 긴급한 상황에서도 탈황 및 탈실록산 성능의 저하 없이 운전될 수 있으며, 각각의 흡착제가 서로의 기능을 보완할 수 있는 장점이 있다.The desulfurization treatment may be performed by an iron oxide tower, and the desiloxane treatment may be performed by an impregnated activated carbon tower and a silica gel tower. The siloxane is combusted in the engine when it receives high heat generated in the compressor cylinder used in the purification process or when the finally produced methane gas is used as a fuel for automobiles and the like, so that silica (SiO 2 ) is produced over a long period of time, It is necessary to remove solid matter from the surface of the engine such as a device or an automobile, because the solids adhere to the surface of the engine and shorten the parts life of the refining process apparatus or the engine. The iron oxide-based adsorbent adsorbs a large amount of hydrogen sulfide, and the hydrogen sulfide that has not been adsorbed can be adsorbed by the adsorbent for adsorbing activated carbon. At this time, some siloxanes may also be adsorbed on the impregnated activated carbon. The siloxane can be removed by adsorption on a silica gel column. Thus, the desulfurization and desiloxane process can be operated without degrading desulfurization and desiloxane performance even in an urgent situation, compared with a general desulfurization process composed of a single adsorbent, and each adsorbent has an advantage of complementing each other's functions.
상기 전처리 후 바이오 가스의 황화수소 농도가 20 ppm 이하, 실록산의 농도가 0.1 ppb 이하가 될 수 있다. 최종 생성물에 황화수소가 20 ppm을 초과하는 농도로 포함되는 경우 생성물에서 악취가 발생하고, 이를 연료로 사용할 경우 사용하는 장치의 부식이 유발될 수 있다. 또한, 실록산의 농도가 0.1 ppb를 초과하는 경우 정제 공정에서 사용되는 압축기 실린더 내부에서 발생하는 고열에 의하여, 또는 최종 생산된 메탄가스가 자동차 연료로 사용되는 경우 엔진 내부에서 실록산이 연소됨으로써 장시간에 걸쳐 실리카(SiO2)가 장치 또는 엔진 표면에 부착되어 정제 공정 장치 또는 엔진의 부품 수명을 단축시킬 수 있는 문제가 발생할 수 있다.After the pretreatment, the hydrogen sulfide concentration of the biogas may be 20 ppm or less and the concentration of the siloxane may be 0.1 ppb or less. When the final product contains hydrogen sulfide at a concentration exceeding 20 ppm, the product may be odorous, which may lead to corrosion of the equipment used when used as fuel. Also, when the concentration of siloxane exceeds 0.1 ppb, siloxane is burned in the engine when the methane gas is used as automobile fuel due to the high heat generated in the compressor cylinder used in the refining process, Silica (SiO 2 ) adheres to the surface of the apparatus or the engine, which may shorten the parts life of the purification process apparatus or the engine.
나아가, 상기 탈황 및 탈실록산 처리와 함께, 탈암모니아 처리를 수행할 수 있다. 일반적으로 바이오 가스는 암모니아를 포함하고 있을 수 있으며, 이에 따라 탈암모니아 처리를 통해 암모니아를 제거할 수 있다. 상기 탈암모니아 처리는, 황산과의 반응을 통해 황산암모늄 형태로 석출시키는 방법에 의할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.Further, in addition to the desulfurization and desiloxane treatment, the deammonia treatment can be performed. Generally, the biogas can contain ammonia, and thus ammonia can be removed through de-ammonia treatment. The deammonia treatment may be carried out by precipitation in the form of ammonium sulfate through reaction with sulfuric acid, but is not limited thereto.
상기 압축 단계 이후, 바이오 가스는 가변 운전이 가능한 4단 분리막 정제를 이용하여 정제될 수 있으며, 구체적으로는 전술한 바와 같이, 상기 압축된 바이오 가스를 제 1 고분자 분리막으로 투입하여, 제 1 잔류부 스트림 및 제 1 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 1 잔류부 스트림을 제 2 고분자 분리막으로 투입하여, 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계; 및 상기 제 2 투과부 스트림을 제 4 고분자 분리막으로 투입하여 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리하는 단계;를 포함하는 단계를 통해 정제될 수 있다.After the compression step, the biogas can be purified using a four-stage separation membrane filter capable of variable operation. Specifically, as described above, the compressed biogas is introduced into the first polymer separation membrane, Stream and a first permeate stream; Introducing the first residual substream into a second polymer separator to separate into a second residual substream and a second permeate stream; Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream, or introducing the second residual substream into a methane recovery unit; And separating the second permeate stream into a fourth residual permeate stream and a fourth permeate stream by injecting the second permeate stream into the fourth polymer separator.
압축된 바이오 가스를 상기와 같은 분리막 정제 공정을 통해 정제하여, 고순도 및 고회수율로 바이오 메탄을 정제할 수 있으며, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 가변 운전이 가능하여, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 변화하더라도 98% 이상의 고순도의 바이오 메탄을 안정적으로 정제해낼 수 있다.The compressed biogas can be purified through the separation membrane purification process as described above to purify the biomethane at a high purity and a high recovery rate and the variable operation can be performed according to the content of methane in the raw biogas. Even if the content is changed, high purity biomethane of 98% or more can be stably purified.
또한, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 충분한 경우, 제 3 고분자 분리막을 우회(bypass)하도록 공정을 운영함으로써, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 효율적인 분리가 가능하며, 불필요한 경우에는 제 3 고분자 분리막을 통한 정제를 수행하지 않기 때문에, 제 3 고분자 분리막의 수명이 증가할 수 있고, 이는 전체 공정 비용의 저감으로 이어질 수 있다. 또한, 정제 공정을 수행하는 바이오메탄 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용의 저감 효과를 기대할 수 있다. In addition, when the content of methane in the feedstock biogas is sufficient, it is possible to efficiently separate the feedstock according to the content of methane in the feedstock biogas by operating the process to bypass the third polymer separator. If unnecessary, The life of the third polymer separator may increase, leading to a reduction in the overall process cost. In addition, it is expected that the lifetime of the biomethane purification apparatus performing the purification process and the maintenance cost can be reduced.
예를 들어, 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계;에서, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 높은 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림을 바로 메탄 회수부로 회수하여 고순도의 바이오메탄을 정제할 수 있다. 이에, 제 3 고분자 분리막을 거칠 필요가 없기 때문에, 상기 압축하는 단계에서 바이오 가스를 덜 압축하는 것이 가능하다. 이에, 불필요한 공정비용의 증가를 막을 수 있다. 또한, 제 3 고분자 분리막에 의한 정제가 선택적으로 수행됨으로써, 제 3 고분자 분리막의 수명이 증가할 수 있고, 이에 따라 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용이 저감될 수 있다.For example, in the step of selectively injecting the second residual sub-stream into the third polymer separator to separate it into a third residual stream and a third permeate stream, or into a methane recovery section, the methane content in the raw biogas The second residual sub-stream may be directly recovered to the methane recovery section to purify high-purity biomethane. Therefore, since it is not necessary to pass through the third polymer separation membrane, it is possible to compress the biogas less in the compression step. Thus, an unnecessary increase in the process cost can be prevented. In addition, since the purification by the third polymer separation membrane is selectively performed, the lifetime of the third polymer separation membrane can be increased, thereby increasing the service life and maintenance cost of the purification apparatus.
한편, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 낮은 경우에는, 상기 제 2 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 한번 더 정제를 수행할 수 있다. 이에, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 낮더라도, 고순도로 바이오메탄을 정제해 낼 수 있다.On the other hand, when the content of methane in the raw biogas is low, the second residual substream may be introduced into the third polymer separator to purify the same again. Therefore, even if the content of methane in the raw material biogas is low, the biomethane can be purified with high purity.
구체적이며 비한정적인 예시로, 상기 제 2 잔류부 스트림이 선택적으로 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입되거나, 상기 메탄 회수부로 바로 투입되는 기준은, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄가스의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우, 상기 제2 잔류부 스트림은 상기 메탄 회수부로 투입되고, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄가스의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우, 상기 제2 잔류부 스트림은 상기 제3 고분자 분리막으로 투입되는 것일 수 있다. 다만, 이는 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 한정되는 것은 아니고, 다르게 조절될 수 있다. As a specific, non-limiting example, the criterion that the second residual sub-stream is selectively introduced into the third polymer separator or directly into the methane recovery section is that the methane gas in the biogas in the step of compressing the biogas The second residual stream is introduced into the methane recovery section when the content of the methane gas is less than or equal to 68% by volume and less than or equal to 75% by volume with respect to the total volume of the biogas of 100% by volume, When the content is less than 60 vol% and less than 68 vol% with respect to 100 vol% of the total volume of the biogas, the second residual stream may be introduced into the third polymer separator. However, the present invention is not limited thereto, but may be otherwise controlled.
위와 같이 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 상기 제 2 잔류부 스트림의 흐름이 조절되는 것은, 예시적으로, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄 함량의 변화에 능동적으로 대응하여, 상황에 따른 가변운전이 가능한 자동화 시스템에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 바이오 가스의 정제 중에, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량을 정성,정량 분석하여 측정 센서 등을 통해 감지하고, 측정 센서로부터 받은 감지 결과를 기준으로 상기 제 2 잔류부 스트림의 흐름을 가변적으로 조절하여, 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입하거나 또는 상기 메탄 회수부로 바로 투입할 수 있다. The control of the flow of the second residual sub-stream according to the content of methane in the raw biogas as described above can be exemplified by actively responding to the change of the methane content in the raw biogas, Can be performed by an automation system. Specifically, during purification of the biogas, the content of methane in the raw biogas is qualitatively and quantitatively analyzed and detected through a measurement sensor, and the flow of the second residual sub-stream is variably measured based on the detection result received from the measurement sensor To be introduced into the third polymer separation membrane or directly into the methane recovery section.
다른 예시로, 최종 정제되는 메탄 가스의 순도가 98% 이상으로 유지되는 범위에서, 상기 제 2 잔류부 스트림의 일부는 제 3 고분자 분리막으로 투입하고, 나머지 일부는 상기 메탄 회수부로 바로 투입하는 방식으로 정제를 수행하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.As another example, in a range in which the purity of the methane gas to be finally purified is maintained at 98% or more, a part of the second residual sub-stream is introduced into the third polymer separation membrane and the remaining part is directly introduced into the methane recovery section It is also within the scope of the present invention to perform purification.
상기 제 3 고분자 분리막은, 제 2 고분자 분리막에 부가되어, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량, 또는 공정이 운영되는 도중의 바이오 가스의 정제 상황에 따라, 선택적으로 기능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바이오 메탄 정제 방법은, 바이오 가스의 정제 상황에 따라 가변적으로 운영될 수 있어, 공정 운영이 유연해지고, 하나의 공정에서 다양한 상황에 대처가 가능하여, 순도 98% 이상의 높은 품질의 메탄가스를 안정적으로 정제해낼 수 있다. 또한, 제 3 고분자 분리막에 의한 정제가 선택적으로 수행됨으로써, 제 3 고분자 분리막의 수명이 증가할 수 있고, 이에 따라 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용이 저감될 수 있다.The third polymer separator may be added to the second polymer separator to selectively function depending on the content of methane in the raw biogas or the refining state of the biogas in the process of operating the process. Therefore, the biomethane purification method of the present invention can be operated variably according to the purification condition of the biogas, so that the process operation becomes flexible, and it is possible to cope with various situations in a single process, The methane gas can be stably purified. In addition, since the purification by the third polymer separation membrane is selectively performed, the lifetime of the third polymer separation membrane can be increased, thereby increasing the service life and maintenance cost of the purification apparatus.
이 때, 상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막의 막면적 비(제 1 고분자 분리막 : 제 2 고분자 분리막 : 제 3 고분자 분리막 : 제 4 고분자 분리막)는 1 : 2 이상 10 이하 : 0.5 이상 3 이하 : 0.5 이상 3 이하 일 수 있다. In this case, the membrane area ratio of the first to fourth polymer membranes (first polymer separator: second polymer separator: third polymer separator: fourth polymer separator) is 1: 2 to 10: 0.5 to 3: 0.5 Or more and 3 or less.
또한, 상기 본 발명의 일 양태에서, 제 2 고분자 분리막의 막면적이 제 3 고분자 분리막의 막면적보다 클 수 있다. 이에, 제 2 고분자 분리막이 바이오 가스 정제에 주된 역할을 하여, 원료 바이오 가스 내 메탄 농도가 높은 경우 제 2 잔류부 스트림이 제 3 고분자 분리막을 거치지 않더라도, 제 2 고분자 분리막까지의 정제를 통해 바이오 메탄이 고순도로 분리될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the membrane area of the second polymer separation membrane may be larger than the membrane area of the third polymer separation membrane. Therefore, when the methane concentration in the raw biogas is high, the second polymer separation membrane plays a major role in biogas purification, and even if the second residual stream does not pass through the third polymer separation membrane, Can be separated into high purity.
또한, 보다 구체적으로, 상기 제 2 고분자 분리막 및 제 3 고분자 분리막의 막면적 비(제 2 고분자 분리막 : 제 3 고분자 분리막)은 1 : 0.3 이상 0.7 이하일 수 있다. 상기 범위로 조절하는 경우, 제 2 고분자 분리막보다 제 3 고분자 분리막의 면적비가 작음에 따라 저감된 공정비용으로 메탄의 순도 및 회수율을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. More specifically, the membrane area ratio of the second polymer separation membrane and the third polymer separation membrane (second polymer separation membrane: third polymer separation membrane) may be 1: 0.3 or more and 0.7 or less. In the case of adjusting to the above range, there is an advantage that the purity and recovery rate of methane can be increased by the reduced process cost as the area ratio of the third polymer membrane is smaller than that of the second polymer membrane.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄의 제조 방법은, 상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계에서 상기 제 2 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입하는 경우, 상기 제 3 고분자 분리막에서 상기 제 2 잔류부 스트림은 제 3 잔류부 스트림 및 3 투과부 스트림으로 분리되고, 상기 제 3 고분자 분리막의 투과부를 상기 압축하는 단계의 압축 공정 전으로 재순환하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 제 3 고분자 분리막의 투과부 스트림 내에 잔존하는 메탄을 더 회수하여, 최종적으로 정제된 메탄 가스의 순도를 더욱 향상시킬 수 있다.In the method of manufacturing biomethane according to an embodiment of the present invention, the second residual stream is selectively introduced into the third polymer separator and separated into the third residual stream and the third permeate stream, or the methane recovery unit The second residual substream in the third polymer separator is separated into the third residual substream and the third permeate stream, and when the second residual substream is separated into the third polymer separator, To the compression step of the compressing step. As a result, methane remaining in the permeate stream of the third polymer separator can be further recovered, thereby further improving the purity of the finally purified methane gas.
이하, 상기 압축하는 단계 이후에 수행되는 일련의 정제 과정의 다른 공정 조건에 대해 설명한다.Hereinafter, other process conditions of a series of refining processes performed after the compressing step will be described.
상기 압축하는 단계 이후의 일련의 정제 과정에서, 상기 제1 고분자 분리막, 제2 고분자 분리막, 제3 고분자 분리막, 및 제4 고분자 분리막 각각의 투과부 및 잔류부의 압력차에 의한 투과구동력에 의해 기체 스트림의 흐름이 형성된다. 이 때, 상기 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비(투과부/잔류부)는 0.4 이상 0.7 이하일 수 있다. 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비가 상기 범위를 만족하는 경우, 정제 상황에 따라 선택적으로 기능하는 제 3 고분자 분리막의 투과도가 저하되는 것을 방지할 수 있고, 높은 선택도가 유지될 수 있다. 이에 따라, 제 3 고분자 분리막을 통해 제 2 잔류부 스트림의 추가 정제시, 메탄의 분리 효율이 향상되어, 제 2 잔류부 스트림 내 메탄을 목적하는 수준으로 더욱 농축시킬 수 있다. 이에, 최종생산물인 제 3 잔류부 스트림 내 메탄의 농도가 충분히 농축되어, 최종적으로 회수되는 바이오메탄의 순도를 현저히 향상시킬 수 있다. 반면, 상기 범위를 벗어나는 경우, 후술되는 실시예에서 확인된 바와 같이, 원료 바이오 가스 내 메탄 함량이 변화하는 환경에서 바이오메탄을 98% 이상 순도로 안정적으로 정제할 수 없었다.In a series of refining processes after the compression, the permeation force of the permeate portion and the residual portion of each of the first polymer separator, the second polymer separator, the third polymer separator, and the fourth polymer separator, A flow is formed. At this time, the pressure ratio (permeated portion / residual portion) of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane may be 0.4 or more and 0.7 or less. When the pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane satisfies the above range, the permeability of the third polymer separation membrane, which functions selectively depending on the purification condition, can be prevented from being lowered, have. Thus, upon further purification of the second residual substream through the third polymer separator membrane, the methane separation efficiency is improved, allowing the methane in the second residual substream to be further concentrated to the desired level. Thus, the concentration of methane in the final residual third stream is sufficiently concentrated, and the purity of the finally recovered biomethane can be remarkably improved. On the other hand, in the case of deviating from the above range, it was not possible to stably refine the biomethane to a purity of 98% or more in an environment where the methane content in the raw material biogas changes, as confirmed in the following embodiments.
한편, 상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오 메탄 분리를 위한 분리막 공정에서 사용되는 분리막 소재는 이산화탄소/메탄 선택도가 20 이상 100 이하인 고선택성 소재부터 중간 선택성 고분자 소재인 것이 바람직할 수 있으며, 보다 구체적으로는 20 이상 60 이하인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 고분자 분리막은 무정형 또는 반결정질 중합체인 것이 바람직할 수 있고, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리페닐렌 옥시드(Poly(phenylene oxide)), 폴리실록산(Poly siloxane), 폴리에틸렌 옥시드(Poly(ethylene oxide)), 폴리프로필렌 옥시드(Poly(propylene oxide)) 및 이들의 혼합물 등인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 분리막 소재의 제조과정에서 이산화탄소의 투과도를 높이고자 선택도를 낮게 합성된 폴리이미드(Poly imide) 등의 소재의 경우도 여기에 포함될 수 있다.Meanwhile, the separation membrane material used in the separation membrane process for separating biomethane according to an embodiment of the present invention may be a medium-selective polymer material selected from a highly selective material having a carbon dioxide / methane selectivity of 20 or more and 100 or less, , It is preferable that it is 20 or more and 60 or less. The polymer separator may be preferably an amorphous or semi-crystalline polymer. Examples of the polymer separator include polyimide, polyamide, polyether sulfone, polysulfone, polycarbonate But are not limited to, polycarbonate, polyethylene terephthalate, cellulose acetate, poly (phenylene oxide), polysiloxane, poly (ethylene oxide), polypropylene (Poly (propylene oxide)), and mixtures thereof. In addition, a material such as polyimide synthesized with a low selectivity in order to increase the permeability of carbon dioxide in the process of manufacturing a membrane material may be included.
이때, 이러한 고분자 소재를 대상으로 상전이방법이나 박막코팅법에 의해 비대칭구조의 복합막이나 중공사막으로 가공되는 분리막의 경우, 이산화탄소 투과도가 10 GPU 이상 1,000 GPU 이하인 것이 바람직할 수 있으며, 보다 구체적으로는 100 GPU 이상 1,000 GPU 이하인 것이 바람직할 수 있다. 상기 이산화탄소 투과도의 단위인 GPU는 gas permission unit(1 GPU = (10-6ㆍcm3)/(cm2ㆍsecㆍmmHg))을 나타내며, 분리막의 단위면적(cm2), 단위압력(mmHg) 및 단위시간(sec)에 대하여 투과되는 이산화탄소 부피(cm3)를 나타낸다.At this time, in the case of a polymer membrane material which is processed into a composite membrane or a hollow fiber membrane by an asymmetric structure by a phase transfer method or a thin film coating method, the carbon dioxide permeability may be preferably 10 GPU or more and 1,000 GPU or less, 100 GPU or more and 1,000 GPU or less may be preferable. The unit of area (cm 2 ), the unit pressure (mmHg) of the separation membrane, and the unit pressure (mmHg) of the separation membrane are represented by the gas permission unit (1 GPU = (10 -6 cm m 3 ) / (cm 2 sec sec mm mmHg) And the volume (cm < 3 >) of carbon dioxide permeated per unit time (sec).
본 발명의 일 양태에서 사용되는 분리막 소재는 고선택성 고분자 소재를 주로 사용하는 3 단 공정과는 달리 폴리이미드(Poly imide), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone) 등과 같은 40 이상의 이산화탄소/메탄 고선택도에서 폴리설폰(Poly sulfone), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 폴리카보네이트(Poly carbonate) 등과 같은 20 이상 34 이하 정도로 중간 정도의 선택도를 가지는 소재까지 다양한 분리막 소재를 적용할 수 있다. 분리막 소재에 사용되는 폴리에테르설폰(Polyether sulfone), 폴리이미드(poly imide) 등은 높은 선택도를 가지지만, 이산화탄소 투과도가 낮을 수 있으며, 폴리설폰(poly sulfone) 등은 중간 선택도를 가지지만 이산화탄소에 대한 가소화 저항성이 폴리이미드(Poly imide)보다 우수하므로 다양한 분리막 중에 선택하여 사용할 수 있다. 선택도가 너무 낮은 분리막 소재를 사용할 경우에는 고순도의 메탄을 얻기 위해서 재순환되는 가스의 양이 많아 필요한 에너지가 많이 드는 문제가 발생할 수 있다. 선택도가 너무 높은 소재를 사용할 경우에는 대체로 투과도가 낮은 경향을 가지고 있는데, 이러한 소재를 사용한 분리막 공정은 생산되는 고순도 메탄의 양이 적고 재순환되는 양이 많아져 많은 분리막과 고압의 운전조건이 요구되고, 이로 인해 공정의 장치 규모가 커지게 될 수 있다. 상기와 같은 이유로 중간 정도의 선택도를 가지는 분리막 소재를 사용할 수 있으며, 그 중에서도 압력에 따른 가소화 현상에 대한 저항성이 폴리이미드(Poly imide)보다 높은 폴리설폰(Poly sulfone) 등의 고분자 소재를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The separation membrane material used in one embodiment of the present invention has a high selectivity of carbon dioxide / methane of 40 or more, such as polyimide, polyether sulfone and the like, unlike the three- Various membrane materials can be applied to materials having medium selectivity ranging from 20 to 34 such as poly sulfone, cellulose acetate, and polycarbonate. Polyether sulfone and polyimide used in membrane materials have high selectivity but may have a low carbon dioxide permeability and poly sulfone and the like have medium selectivity but carbon dioxide (Polyimide) is superior to polyimide, so it can be selected among various membranes. When a separator material having too low selectivity is used, a large amount of gas is recycled in order to obtain methane of high purity, which may cause a problem in that a large amount of energy is required. In case of using a material having too high selectivity, the permeability tends to be low. The separation membrane process using such a material requires a large amount of high-purity methane produced and a large amount of recycled material, , Which may lead to an increase in the scale of the process. For the above reasons, a membrane material having intermediate selectivity can be used. Among them, a polymer material such as poly sulfone, which has higher resistance to plasticization due to pressure than polyimide, can be used But is not limited thereto.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치에 대해 설명한다. 다만, 도 1의 형태만으로 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치를 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.Hereinafter, a biomethane purification apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. However, the biomethane purification apparatus according to an embodiment of the present invention is not limited to only the configuration of FIG. 1, and various modifications may be made within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명의 다른 일 양태는, 바이오 가스 공급부(10); 상기 바이오 가스 공급부(10)에서 공급된 바이오 가스를 압축하는 압축부(41); 상기 압축부(41)에서 압축된 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한, 제 1 고분자 분리막(51)의 잔류부 스트림은 제 2 고분자 분리막(52)과 연결되고, 제 2 고분자 분리막(52)의 투과부 스트림은 제 4 고분자 분리막(54)과 연결되되, 상기 제 2 고분자 분리막(52)의 잔류부 스트림은 메탄 회수부(미도시) 또는 제 3 고분자 분리막(53)과 선택적으로 연결되는 기체분리용 고분자 분리막을 포함하는 정제부(50);를 포함하는, 바이오메탄 정제 장치를 제공한다. 상기 메탄 회수부(미도시)는, 상기 제 2 고분자 분리막(52) 및/또는 제 3 고분자 분리막(53)과 연결되어, 정제된 바이오메탄을 최종 생산물로 회수하는 장치일 수 있으며, 바이오메탄을 최종 생산물로 회수하는 장치라면 특정 장치에 한정되지 않는다.According to another aspect of the present invention, there is provided a biogas supply apparatus comprising: a biogas supply unit; A compression unit 41 for compressing the biogas supplied from the
본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치에서, 상기 바이오 가스를 공급하는 바이오 가스의 공급부(10)는 비한정적인 예시로서, 음식물 쓰레기 처리장, 하수슬러지 처리장, 매립지, 축산폐수 처리장 등에서 발생하는 바이오 가스를 본 발명의 정제장치로 도입하는 장치로 블로어(blower) 등의 공지의 장치일 수 있다.In the biomethane refining apparatus according to an embodiment of the present invention, the
또한, 상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치는, 제습부(20) 및 제습된 가스로부터 황, 암모니아 및 실록산을 제거하기 위한 전처리부(30)를 포함할 수 있다. 상기 제습부(20)는 특정 구성의 장치로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 외부 냉각기로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 튜브를 내장한 원통형 제습 장치일 수 있다. 한편, 전술한 바와 같은 맥락으로, 상기 전처리부(30)가 습식의 탈황 및 탈암모니아 방식을 채택하는 경우, 상기 제습부(20)는 상기 전처리부(30)의 뒷 단계를 수행하도록 설치될 수 있다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention may include a
상기 제습부(20)에서 제습된 가스로부터 황, 암모니아 및 실록산을 제거하기 위한 전처리부(30)는 탈황장치 및 탈실록산장치를 포함할 수 있으며, 상기 탈황장치는 산화철 탑을 포함할 수 있고, 상기 탈실록산장치는 산화철 탑, 첨착활성탄 탑 및 실리카겔 탑을 포함할 수 있다. 이때, 탈실록산을 위한 각 장치들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 산화철계 흡착제는 다량의 황화수소를 흡착하며, 미처 흡착되지 못한 황화수소는 첨착활성탄 흡착제를 이용하여 흡착될 수 있다. 이때, 일부의 실록산도 상기 첨착활성탄에 흡착될 수 있다. 이와 같은 탈황 및 탈실록산 장치는 단일 흡착제로 구성되는 일반 탈황 및 탈실록산 장치와 비교하여 긴급한 상황에서도 탈황 및 탈실록산 성능의 저하 없이 운전할 수 있으며, 각각의 흡착제가 서로의 기능을 보완하여 가스 내 황성분 및 실록산을 효율적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.The
상기 압축부(41)는, 기체를 압축시킬 수 있는 장치면, 특정 장치에 한정되지 않고 채용이 가능하다.The compression section (41) is not limited to a device capable of compressing a gas, and can be employed without being limited to a specific device.
상기 압축부(41)에서, 상부의 바이오 가스의 압력이 3 bar 이상 100 bar 이하가 되도록 바이오 가스의 압축이 수행될 수 있으며, 바람직하게는 5 bar 이상 30 bar 이하가 되도록 수행될 수 있다. 상부의 바이오 가스의 압력이 너무 작은 경우 고분자 분리막의 낮은 선택도로 인해 분리막 공정의 상부압력 및 하부 압력의 비(상부압력/하부압력)가 저하되어, 메탄의 순도 및 회수율이 크게 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 상부의 바이오 가스의 압력이 너무 큰 경우, 분리막 공정에서 분리막이 이산화탄소에 의해 가소화되어 분리막의 선택도가 하락될 수 있다. 이에, 최종적으로 정제되는 메탄의 순도 및 회수율이 낮아지거나 분리막이 파손되는 문제가 발생할 수 있다.In the compression unit 41, biogas compression may be performed so that the pressure of the upper biogas may be 3 bar or more and 100 bar or less, preferably 5 bar or more and 30 bar or less. If the pressure of the upper portion of the biogas is too small, the ratio of the upper pressure and the lower pressure of the separation membrane process (lower pressure / lower pressure) is lowered due to the lower selection of the polymer separation membrane. . If the pressure of the upper portion of the biogas is too high, the separation membrane may be plasticized by the carbon dioxide in the separation membrane process, thereby deteriorating the selectivity of the separation membrane. Accordingly, the purity and recovery rate of the finally purified methane may be lowered, or the separation membrane may be damaged.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오 메탄의 정제 장치는, 상기 압축된 바이오 가스의 온도를 조절하기 위한 온도 조절부를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 조절부는 냉각부(42)일 수 있다. 이는, 압축하는 과정 중 발생한 압축열을 제거하여, 분리막 효율이 좋은 온도 범위로 바이오 가스의 온도를 조절하는 역할을 할 수 있다. 상기 냉각부(42)는, 특정 장치에 한정되지 않으며, 기체를 냉각시킬 수 있는 장치라면 모두 사용이 가능하다.The apparatus for purifying biomethane according to an embodiment of the present invention may further include a temperature regulator for regulating the temperature of the compressed biogas, and the temperature regulator may be a cooling unit. This can serve to regulate the temperature of the biogas in a temperature range in which the separation membrane efficiency is good by removing the compression heat generated during the compression process. The cooling unit 42 is not limited to a specific apparatus, and any apparatus that can cool the gas can be used.
상기 냉각부(42)에서 압축된 바이오 가스의 온도가 -20 ℃ 이상 30 ℃ 이하가 되도록 냉각될 수 있다. 상기 냉각된 바이오 가스의 온도가 -20 ℃ 미만으로 낮아지는 경우, 고분자 분리막의 선택도가 높아지지만 전체 분리막 장치의 냉각 비용이 높아지는 문제가 있고, 분리막이 얼어서 압력에 의해 쉽게 부서지는 문제가 발생할 수 있다. 냉각된 바이오 가스의 온도가 30 ℃를 초과하는 경우에는, 고분자 분리막의 선택도가 크게 낮아져 메탄회수율 및 순도가 낮아지며 분리막이 열로 인한 손상을 입을 수 있는 문제가 발생할 수 있다.The temperature of the biogas compressed by the cooling unit 42 may be cooled to -20 캜 or more and 30 캜 or less. When the temperature of the cooled biogas is lowered to less than -20 ° C, the selectivity of the polymer separator is increased, but the cooling cost of the entire separator is increased, and there is a problem that the separator is frozen easily due to pressure have. When the temperature of the cooled biogas exceeds 30 캜, the selectivity of the polymer separator is significantly lowered, the methane recovery rate and purity are lowered, and the separator may be damaged due to heat.
상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치의 분리막 소재 및 물성, 각 분리막의 막면적 비율, 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비 등에 관한 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.The material and physical properties of the separation membrane of the biomethane purification apparatus according to an embodiment of the present invention, the membrane area ratio of each separation membrane, the pressure ratio of the permeation unit to the remaining portion of the third polymer separation membrane, and the like are as described above.
이하, 상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치를 통한 바이오메탄 정제 방법과 함께, 상기 본 발명의 일 양태에 따른 바이오메탄 정제 장치에 대해 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the biomethane purification apparatus according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the biomethane purification apparatus through the biomethane purification apparatus according to an embodiment of the present invention.
원료 바이오가스가 바이오 가스 공급부(10)로부터 공급되고, 제습부(20), 및 전처리부(30)를 거쳐 수분, 황, 실록산, 및 암모니아가 제거된다. 이후, 상기 전처리된 바이오 가스는 압축부(41) 및 냉각부(42)를 거쳐 바이오 가스의 정제에 적절한 압력 및 온도로 조절된 뒤 정제부(50)로 투입된다.The raw material biogas is supplied from the
상기 정제부(50)로 투입된 바이오 가스는, 제 1 고분자 분리막(51)에서 메탄의 농도가 높은 제 1 잔류부 스트림 및 이산화탄소의 농도가 높은 제 1 투과부 스트림으로 분리된다. 이 중, 상기 제 1 투과부 스트림은 이산화탄소 회수부(미도시)로 배출되며, 상기 제 1 잔류부 스트림은 제 2 고분자 분리막(52)으로 투입된다. 상기 제 2 고분자 분리막(52)에서 상기 제 1 잔류부 스트림은 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리되며, 제 2 고분자 분리막(52)을 거치면서 메탄은 더욱 농축되어 상기 제 2 잔류부 스트림 내 메탄의 농도가 더욱 증가될 수 있다. The biogas introduced into the
이 중, 상기 제 2 잔류부 스트림은, 원료 바이오가스 내 메탄의 함량에 따라, 선택적으로 상기 제 2 고분자 분리막(52) 및 메탄 회수부(미도시)를 연결하는 제 2-1 잔류부 스트림 유로(62)를 통해 메탄 회수부(미도시)로 투입되거나, 상기 제 2 고분자 분리막(52) 및 제 3 고분자 분리막(53)을 연결하는 제 2-2 잔류부 스트림 유로(61)를 통해 제 3 고분자 분리막(53)으로 투입될 수 있다. 여기서, 상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로(62) 및 제 2-2 잔류부 스트림 유로(61)에는 각각 제 1 유로개폐수단(72) 및 제 2 유로개폐수단(71)이 구비되어, 상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로(62) 및 제 2-2 잔류부 스트림 유로(61)를 선택적으로 개폐할 수 있으며, 이러한 개폐조절에 따라 상기 제 2 잔류부 스트림의 흐름을 조절할 수 있다. 상기 유로개폐수단(71, 72)은, 유로에 설치되어 유로를 개폐할 수 있는 밸브일 수 있으나, 유로의 개폐가 가능한 수단이라면 모두 채용이 가능함은 물론이다. 또한, 본 발명에서, 특정 고분자 분리막 및 압축부(41)가 연결된다는 것은, 상기 특정 고분자 분리막과 압축부(41)가 유로를 통해 직접 연결된 것 뿐만 아니라, 상기 특정 고분자 분리막이 전처리된 원료 바이오 가스를 압축부(41)로 이송하는 유로와 연결된 양태도 포함한다.The second residual substream may be a second-1 residual substream (not shown) that selectively connects the
구체적으로, 상기 제 2 잔류부 스트림은, 원료 바이오 가스 내 메탄 가스의 함량 등의 영향으로, 경우에 따라 도시가스 또는 자동차 연료 등으로 사용되기 적합한 수준인 98부피% 이상의 순도를 가질 수도 있고, 이보다 낮은 순도를 가질 수도 있다. Specifically, the second residual sub-stream may have a purity of 98 vol% or more, which is a level suitable for use as city gas or automobile fuel depending on the influence of the content of methane gas in the raw material biogas or the like, It may have low purity.
원료 바이오 가스 내 메탄 가스의 함량이 충분한 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림은 도시가스 또는 자동차 연료 등으로 사용되기 적합한 수준인 98부피% 이상의 순도를 가질 수 있고, 이 경우 상기 제 2 잔류부 스트림을 제 2-1 잔류부 스트림 유로(62)를 통해 바로 메탄 회수부(미도시)로 투입하여, 곧바로 98부피%의 고순도의 바이오메탄이 회수될 수 있다.If the content of methane gas in the feedstock biogas is sufficient, the second residual stream may have a purity of at least 98 vol.%, Which is a level suitable for use with city gas or automotive fuel, in which case the second residual sub- (Not shown) directly through the second-1 remaining-stream-
반면, 원료 바이오 가스 내 메탄가스의 함량이 충분하지 않은 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림을 제 2-2 잔류부 스트림 유로(61)를 통해 제 3 고분자 분리막으로 투입하여, 한 번 더 분리막 정제를 수행함으로써, 메탄의 함량이 충분한 수준으로 조절된 고순도의 제 3 잔류부 스트림으로 정제할 수 있다. 이러한 제 3 잔류부 스트림을 메탄 회수부로 투입하여, 고순도의 바이오메탄을 회수할 수 있다. 또한 이 경우에 제 3 고분자 분리막에서 분리된 제 3 투과부 스트림은, 상기 제 3 고분자 분리막(53) 및 압축부(41)를 연결하는 제 3 투과부 스트림 재순환 유로(81)를 통해 상기 압축부(41)로 재순환될 수 있으며, 이를 통해 제 3 투과부 스트림 내 잔존하는 메탄을 회수할 수 있다.On the other hand, when the content of the methane gas in the raw biogas is insufficient, the second residual stream is introduced into the third polymer separator through the second-2
상기 제 2 잔류부 스트림이 선택적으로 상기 제 3 고분자 분리막(53)으로 투입되거나, 상기 메탄 회수부(미도시)로 바로 투입되는 기준은, 일 예시로서, 상기 압축부(41)로 투입되는 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 결정될 수 있다. 즉, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 충분히 높은 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림은 제 3 고분자 분리막(53)으로의 투입에 따른 추가 정제 없이, 곧바로 메탄 회수부(미도시)로 이송되어 정제된 바이오메탄으로 회수될 수 있다. 이러한 운전은, 자동차 연료, 도시가스 등으로 사용되기에 충분한 수준인 98% 이상의 순도를 갖는 바이오 메탄을 제 2 고분자 분리막까지의 정제를 통해 정제해 낼 수 있는 경우 수행될 수 있다. 한편, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 2단 분리막 공정으로 고순도의 바이오메탄을 정제하기에 충분하지 않은 경우, 상기 제 2 잔류부 스트림은 제 3 고분자 분리막(53)으로 투입될 수 있다. 이에, 제 3 고분자 분리막을 통한 추가 정제를 거쳐 고순도의 바이오메탄이 정제될 수 있다.The criterion that the second residual substream is selectively introduced into the
상기 제 2 잔류부 스트림이 선택적으로 상기 제 3 고분자 분리막(53)으로 투입되거나, 상기 메탄 회수부(미도시)로 바로 투입되는 기준은, 구체적으로, 상기 압축부(41)로 투입되는 원료 바이오 가스 내 메탄가스의 함량이 상기 원료 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우, 상기 제2 잔류부 스트림은 상기 메탄가스 회수장치로 투입되고, 상기 압축부(41)로 투입되는 원료 바이오 가스 내 메탄가스의 함량이 상기 원료 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우, 상기 제2 잔류부 스트림은 상기 제3 고분자 분리막로 투입되는 것일 수 있다. 다만, 이는 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 한정되는 것은 아니고, 다르게 조절될 수 있다. The criterion in which the second residual substream is selectively introduced into the
위와 같이 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량에 따라 상기 제 2 잔류부 스트림의 흐름이 조절되는 것은, 도 1에서도 나타난 바와 같은 자동화 시스템에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 전처리부(30) 및 압축부(41) 사이의 유로에, 압축부(41)로 투입되는 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량을 정량, 정성 분석한 값을 실시간으로 감지하는 측정센서(73)가 구비될 수 있다. 상기 측정센서(73)는 컨트롤러(74)와 전기적으로 연결되어, 측정된 메탄의 함량을 전기적 신호 형태로 컨트롤러(74)로 전달한다. 신호를 받은 컨트롤러(74)는 미리 설정된 기준에 따라, 측정센서(73)로부터 전달받은 신호를 판단하여, 상기 유로개폐수단(71, 72)들이 선택적으로 개폐되도록 작동한다. 보다 구체적으로, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 원료 바이오 가스의 총 부피 100부피%에 대하여 60 부피% 이상 68 부피% 미만인 경우, 상기 측정센서(73)로부터 상기 제 2 유로개폐수단(71)은 열고, 상기 제 1 유료개폐수단(72)은 닫는 신호가 컨트롤러(74)에 전달되어, 상기 유로개폐수단(71, 72)들의 개폐가 조절됨으로써, 상기 제 2 잔류부 스트림을 제 3 고분자 분리막(54)로 투입되도록 할 수 있다. 한편, 상기 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 원료 바이오 가스 총 부피 100부피%에 대하여 68 부피% 이상 75 부피% 이하인 경우, 상기 측정센서(73)로부터 상기 제 2 유료개폐수단(71)은 닫고, 상기 제 1 유로개폐수단(72)은 여는 신호가 컨트롤러(74)로 전달되어 유로개폐수단(71, 72)들의 개폐가 조절됨으로써, 상기 제 2 잔류부 스트림을 상기 바로 메탄 회수부(미도시)로 회수되도록 할 수 있다. The control of the flow of the second residual stream according to the content of methane in the raw biogas can be performed by an automation system as shown in FIG. Specifically, a measurement sensor (not shown) for sensing in real time a value obtained by quantitatively and qualitatively analyzing the content of methane in the raw material biogas to be supplied to the compression section 41 is provided in the flow path between the pre-
여기서, 상기 측정센서 및 컨트롤러는 기 공지된 측정장치 및 컨트롤러를 적절히 채용할 수 있음은 물론이다.It is needless to say that the measurement sensor and the controller can appropriately employ the well-known measurement apparatus and controller.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 정제 장치를 이용한 바이오 메탄의 정제의 다른 일 운전형태로, 최종 정제되는 메탄 가스의 순도가 98% 이상으로 유지되는 범위에서, 상기 제 2 잔류부 스트림의 일부는 제 3 고분자 분리막으로 투입하고, 나머지 일부는 상기 메탄 회수부로 바로 투입하는 방식으로 정제를 수행하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.In another operation mode of the purification of the biomethane using the purification apparatus according to another embodiment of the present invention, a portion of the second residual sub- 3 polymer separator, and the remainder is directly introduced into the methane recovery section.
즉, 제 3 고분자 분리막은, 제 2 고분자 분리막에 부가되어, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량, 또는 공정이 운영되는 도중의 바이오 가스의 정제 상황에 따라, 선택적으로 기능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바이오 메탄 정제 장치는, 바이오 가스의 정제 상황에 따라 가변적으로 운영될 수 있어, 공정 운영이 유연해지고, 하나의 공정에서 다양한 상황에 대처가 가능하여, 순도 98% 이상의 높은 품질의 메탄가스를 안정적으로 정제해낼 수 있다. 또한, 제 3 고분자 분리막에 의한 정제가 선택적으로 수행됨으로써, 제 3 고분자 분리막의 수명이 증가할 수 있고, 이에 따라 정제 장치의 수명 증가 및 유지 비용이 저감될 수 있다.That is, the third polymer separation membrane may be added to the second polymer separation membrane and selectively function according to the content of methane in the raw material biogas, or the refining state of the biogas in the middle of the operation of the process. Therefore, the biomethane purification apparatus of the present invention can be operated variably according to the purification condition of the biogas, so that the process operation becomes flexible, and it is possible to cope with various situations in one process, The methane gas can be stably purified. In addition, since the purification by the third polymer separation membrane is selectively performed, the lifetime of the third polymer separation membrane can be increased, thereby increasing the service life and maintenance cost of the purification apparatus.
여기서, 상기 제 2 잔류부 스트림이 상기 제 3 고분자 분리막(53)으로 투입되는 경우, 상기 제 3 고분자 분리막(53)에서 분리된 제 3 잔류부 스트림은 메탄 회수부(미도시)로 투입되어, 최종생산물로서 얻어지고, 상기 제 3 투과부 스트림은 제 3 고분자 분리막(53) 및 압축부(41)을 연결하는 제 3 투과부 스트림 재순환 유로(81)를 통해 압축부(41)로 재순환되어, 상기 제 3 투과부 스트림 내 잔류하는 메탄이 회수되도록 할 수 있다.When the second residual sub-stream is introduced into the
한편, 상기 제 2 투과부 스트림은 제 4 고분자 분리막(54)으로 투입되어, 투과부 스트림 정제 구간을 거치게 된다. Meanwhile, the second permeate stream is introduced into the
상기 제 4 고분자 분리막(54)으로 투입된 제 2 투과부 스트림은, 상기 제 4 고분자 분리막(54)에서 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리된다. 이 중, 상기 제 4 투과부 스트림은 고농도의 이산화탄소를 포함하며, 이산화탄소 회수부(미도시)로 배출되고, 상기 제 4 잔류부 스트림은 제 4 고분자 분리막(54) 및 압축부(41)를 연결하는 제 4 잔류부 스트림 재순환 유로(82)를 통해 상기 압축부(41)로 재순환될 수 있다. The second permeate stream introduced into the
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
폴리설폰 소재의 분리막으로 제조한 도 1과 같은 모듈을 이용하여 바이오가스로부터 메탄가스를 정제하였다. 분리에 사용되는 바이오 가스는, 전처리되어 황화수소를 20 ppm 이하, 실록산을 0.1 ppb 이하로 포함하고, 이슬점 온도를 -5 ℃가 되도록 제습한 후 20 ℃로 온도조절된 것을 준비하였다. Methane gas was purified from the biogas using a module as shown in Fig. 1, which was made of a polysulfone separator. The biogas used for the separation was pretreated to contain hydrogen sulfide in an amount of 20 ppm or less and siloxane in an amount of 0.1 ppb or less and dehumidified to a dew point temperature of -5 캜 and then controlled to 20 캜.
시간의 흐름에 따라 메탄 가스의 함량이 다른 바이오 가스를 정제부로 공급하였으며, 아래와 같이 20분 간격으로 상이한 메탄 가스 함량을 갖는 바이오 가스(제 1 바이오 가스, 제 2 바이오 가스)를 번갈아서 정제부로 공급하였다. 공급 유속은 모두 100 L/min이었다. 여기서 부피%란, 공급되는 바이오 가스의 총 부피 100부피%에 대한 부피%를 의미한다.Biogas having different amounts of methane gas were supplied to the purification section over time and biogas (first biogas and second biogas) having different methane gas contents were supplied to the purification section at intervals of 20 minutes as follows . The feed flow rates were all 100 L / min. Here, the volume% refers to a volume percentage with respect to 100 volume% of the total volume of the supplied biogas.
제 1 바이오 가스 : 메탄 약 72 부피%, 이산화탄소 약 28 부피%About 72% by volume of the first biogas: methane, about 28% by volume of carbon dioxide,
제 2 바이오 가스 : 메탄 약 65 부피%, 이산화탄소 약 35 부피%About 65% by volume of the second biogas: methane, about 35% by volume of carbon dioxide,
이후, 정제부로 공급되는 전처리된 바이오 가스의 압력은 11 bar가 되도록 조절하였으며, 제2 고분자 분리막의 투과부 압력은 5 bar, 제3 고분자 분리막의 투과부 압력은 1bar, 제 4 고분자 분리막의 투과부 압력은 1bar로 유지하였다. 또한, 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비를 0.5로 유지하였다.Then, the pressure of the pretreated biogas supplied to the purification part was adjusted to be 11 bar, the permeation part pressure of the second polymer separation membrane was 5 bar, the permeation part pressure of the third polymer separation membrane was 1 bar, the permeation part pressure of the fourth polymer separation membrane was 1 bar Respectively. The pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane was kept at 0.5.
제1 고분자 분리막 면적, 제2 고분자 분리막 면적, 제3 고분자 분리막 면적 및 제4 고분자 분리막 면적의 면적비는 1 : 6 : 2 : 1로 하고, 바이오 가스를 100 L/min으로 공급하여 막분리 공정을 수행하였다.The membrane separation process was carried out by supplying the biogas at a rate of 100 L / min with the area ratio of the first polymer membrane area, the second polymer membrane area, the third polymer membrane area and the fourth polymer membrane area being 1: 6: 2: Respectively.
아울러, 상기 정제부로 공급되는 원료 바이오 가스 내 함량에 따라, 제 1 유로개폐밸브 및 제 2 유로개폐밸브가 선택적으로 개폐되도록 설정하였다.In addition, the first flow path switching valve and the second flow path switching valve are selectively opened or closed according to the content of the raw material biogas supplied to the purification section.
구체적으로, 제 1 바이오 가스가 공급되는 경우, 제 2 잔류부 스트림은 바로 메탄회수부로 회수되고, 제 2 바이오 가스가 공급되는 경우 제 2 잔류부 스트림은 제 3 고분자 분리막으로 투입되도록 하였다.Specifically, when the first biogas is supplied, the second residual substream is directly recovered to the methane recovery section, and when the second biogas is supplied, the second residual substream is introduced into the third polymer separation membrane.
상기 방식의 바이오메탄 정제를 10시간 동안 수행한 뒤, 최종적으로 회수되는 가스, 즉, 메탄 회수부로 회수된 제 2 고분자 분리막 잔류부 스트림 또는 제 3 고분자 분리막 잔류부 스트림 내 메탄의 순도를 측정하였다.The purity of the methane in the second polymer separation membrane residual stream or the third polymer separation membrane residual stream recovered to the finally recovered gas, that is, the methane recovery section, was measured after performing the above-described biomethane purification for 10 hours.
비교예 1Comparative Example 1
제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비(투과부/잔류부)를 0.3으로 유지한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 바이오 메탄을 정제하였다.The biomethane was purified in the same manner as in Example 1, except that the pressure ratio (permeation / residual) of the permeation portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane was kept at 0.3.
비교예 2Comparative Example 2
제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비(투과부/잔류부)를 0.8로 유지한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 바이오 메탄을 정제하였다.The biomethane was purified in the same manner as in Example 1 except that the pressure ratio of the permeation portion to the remaining portion of the third polymer separation membrane (permeation portion / residual portion) was kept at 0.8.
실험예Experimental Example
본 발명에 따른 바이오메탄 정제 방법의 메탄 분리 효율을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2를 수행하고 난 후, 최종적으로 회수되는 가스 내 메탄의 농도 및 이산화탄소의 농도를 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In order to confirm the methane separation efficiency of the biomethane purification method according to the present invention, after performing the above Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the concentration of methane and the concentration of carbon dioxide in the finally recovered gas were analyzed The results are shown in Table 1 below.
메탄회수부로Methane recovery section
회수된 Recovered
제 2Second
고분자 분리막 Polymer membrane
잔류부Residual portion
또는 or
제 3Third
고분자 분리막 잔류부 Polymer membrane remnant
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 실시예 1의 경우, 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 원료 바이오 가스 내 메탄 함량에 따라 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하거나, 메탄회수부로 바로 회수할 때, 원료 가스의 메탄 농도의 변화에 능동적으로 대응하면서, 안정적으로 98% 이상의 순도로 바이오메탄을 정제해 낼 수 있었다. 또한, 99% 이상의 메탄 회수율로 바이오메탄을 정제할 수 있었다.As shown in Table 1, in the case of Example 1, when the residual substream of the second polymer separation membrane is selectively introduced into the third polymer separation membrane according to the methane content in the feed biogas or immediately recovered to the methane recovery section, It was possible to purify the biomethane stably with a purity of 98% or more while actively responding to the change of the methane concentration of the gas. In addition, biomethane could be purified with a methane recovery rate of 99% or more.
한편, 비교예 1 및 2의 경우, 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비가 본 발명의 범위를 벗어나는 경우, 원료 바이오 가스 내 메탄의 함량이 변화하는 정제 환경에서는 안정적으로 98% 이상의 순도로 바이오메탄을 정제해 낼 수 없었다.On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 and 2, when the pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer membrane is out of the range of the present invention, the purity of 98% or more in the purification environment where the methane content in the raw material biogas changes, It was impossible to purify biomethane.
10 : 바이오 가스 공급부 20 : 제습부
30 : 전처리부 41 : 압축부
42 : 냉각부 50 : 정제부
51 : 제 1 고분자 분리막 52 : 제 2 고분자 분리막
53 : 제 3 고분자 분리막 54 : 제 4 고분자 분리막
61 : 제 2-2 잔류부 스트림 유로 62 : 제 2-1 잔류부 스트림 유로
71 : 제 2 유로개폐수단 72 : 제 1 유로개폐수단
81 : 제 3 투과부 스트림 재순환 유로
82 : 제 4 잔류부 스트림 재순환 유로10: Biogas supply part 20: Dehumidification part
30: preprocessing section 41: compression section
42: cooling section 50: refining section
51: first polymer separator 52: second polymer separator
53: Third polymer separator 54: Fourth polymer separator
61: 2-2 Residual sub-stream flow passage 62: 2-1 Residual sub-stream flow passage
71: second flow path opening / closing means 72: first flow path opening /
81: Third Transmission Port Stream Recirculation Flow
82: Fourth residual sub-stream recirculation flow path
Claims (16)
상기 압축된 바이오 가스를 제 1 고분자 분리막으로 투입하여, 제 1 잔류부 스트림 및 제 1 투과부 스트림으로 분리하는 단계;
상기 제 1 잔류부 스트림을 제 2 고분자 분리막으로 투입하여, 제 2 잔류부 스트림 및 제 2 투과부 스트림으로 분리하는 단계;
상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계; 및
상기 제 2 투과부 스트림을 제 4 고분자 분리막으로 투입하여 제 4 잔류부 스트림 및 제 4 투과부 스트림으로 분리하는 단계;를 포함하고,
상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계;에서, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우 상기 제 2 잔류부 스트림은 상기 메탄 회수부로 투입되고, 상기 바이오 가스를 압축하는 단계의 바이오 가스 내 메탄의 함량이 상기 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우 상기 제 2 잔류부 스트림은 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입되는 것이고,
상기 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비는 0.4 이상 0.7 이하이고,
상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 2 이상 10 이하 : 0.5 이상 3 이하 : 0.5 이상 3 이하이고,
상기 제 2 고분자 분리막 및 제 3 고분자 분리막의 막면적 비는 1: 0.3 이상 0.7 이하인 것인,
바이오메탄 정제 방법.
Compressing the biogas;
Separating the compressed biogas into a first residual stream and a first permeate stream;
Introducing the first residual substream into a second polymer separator to separate into a second residual substream and a second permeate stream;
Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream, or introducing the second residual substream into a methane recovery unit; And
Separating the second permeate stream into a fourth residual stream and a fourth permeate stream by injecting the second permeate stream into a fourth polymer separator,
Separating the second residual sub-stream into a third residual stream and a third permeate stream, or introducing the second residual sub-stream into a methane recovery section, wherein the step of compressing the biogas Wherein the second residual stream is introduced into the methane recovery section when the content of methane is not less than 68 vol% and not more than 75 vol% with respect to 100 vol% of the total volume of the biogas, When the content of the second residual substream is 60 vol% or more and less than 68 vol% based on 100 vol% of the total volume of the biogas, the second residual substream is introduced into the third polymer separator,
The pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separator is 0.4 or more and 0.7 or less,
The membrane area ratio of the first to fourth polymer membranes is 1: 2 or more and 10 or less: 0.5 or more and 3 or less: 0.5 or more and 3 or less,
Wherein the membrane area ratio of the second polymer separator and the third polymer separator is 1: 0.3 or more and 0.7 or less,
Biomethane purification method.
상기 제 2 잔류부 스트림을 선택적으로 제 3 고분자 분리막으로 투입하여 제 3 잔류부 스트림 및 제 3 투과부 스트림으로 분리하거나, 메탄 회수부로 투입하는 단계;에서 상기 제 2 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 투입하는 경우,
상기 제 3 고분자 분리막에서 상기 제 2 잔류부 스트림은 제 3 잔류부 스트림 및 3 투과부 스트림으로 분리되고,
상기 제 3 투과부 스트림을 상기 압축하는 단계의 압축 공정 전으로 재순환시키는 단계를 더 포함하는,
바이오메탄 정제 방법.
The method of claim 1,
Separating the second residual substream into a third residual substream and a third permeate stream or introducing the third residual substream into a methane recycle section, and introducing the second residual substream into the third polymer separator ,
In the third polymer separator, the second residual sub-stream is separated into a third residual sub-stream and a third permeate stream,
Further comprising the step of recirculating said third permeate stream prior to the compressing step of said compressing step.
Biomethane purification method.
상기 정제된 바이오메탄의 순도는 98% 이상인 것인,
바이오메탄 정제 방법.
The method of claim 1,
Wherein the purified biomethane has a purity of 98%
Biomethane purification method.
상기 바이오 가스 공급부에서 공급된 바이오 가스를 압축하는 압축부;
상기 압축부에서 압축된 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한, 제 1 고분자 분리막의 잔류부 스트림은 제 2 고분자 분리막과 연결되고, 제 2 고분자 분리막의 투과부 스트림은 제 4 고분자 분리막과 연결되되, 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림은 선택적으로 메탄 회수부 또는 제 3 고분자 분리막과 연결되는 기체분리용 고분자 분리막을 포함하는 정제부;를 포함하고,
상기 정제부는,
상기 제 2 고분자 분리막 및 메탄 회수부를 연결하고, 상기 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 메탄 회수부로 이송하는 제 2-1 잔류부 스트림 유로;
상기 제 2 고분자 분리막 및 상기 제 3 고분자 분리막을 연결하고, 상기 제 2 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 제 3 고분자 분리막으로 이송하는 제 2-2 잔류부 스트림 유로;
상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로에 구비되어, 상기 제 2-1 잔류부 스트림 유로의 개폐를 조절하는 제 1 유로개폐수단;
상기 제 2-2 잔류부 스트림 유로에 구비되어, 상기 제 2-2 잔류부 스트림 유로의 개폐를 조절하는 제 2 유로개폐수단;
상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄의 함량을 측정하는 측정센서; 및
상기 측정센서, 제 1 유로개폐수단, 및 제 2 유로개폐수단과 연결된 컨트롤러;를 더 포함하고,
상기 측정센서는 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄의 함량을 감지, 및 전기적 신호 형태로 변환하여, 상기 전기적 신호를 상기 컨트롤러로 전달하며, 상기 컨트롤러는, 미리 설정된 기준에 따라 상기 측정센서로부터 전달받은 전기적 신호를 판단하여, 상기 제 1 유로개폐수단 및 상기 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하는 것이고,
상기 컨트롤러는, 상기 측정센서로부터 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄 함량이 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 68부피% 이상 75부피% 이하인 경우에 해당하는 신호를 받은 경우, 상기 제 1 유로개폐수단은 열리고, 상기 제 2 유로개폐수단은 닫히도록 상기 제 1 유로개폐수단 및 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하고, 상기 측정센서로부터 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 내 메탄 함량이 상기 압축부로 투입되는 바이오 가스 총부피 100부피%에 대하여 60부피% 이상 68부피% 미만인 경우에 해당하는 신호를 받은 경우, 상기 제 2 유로개폐수단은 열리고, 상기 제 1 유로개폐수단은 닫히도록 상기 제 1 유로개폐수단 및 제 2 유로개폐수단의 개폐를 조절하는 것이고,
상기 제 3 고분자 분리막의 잔류부에 대한 투과부의 압력비는 0.4 이상 0.7 이하로 조절되는 것이고,
상기 제 1 내지 제 4 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 2 이상 10 이하 : 0.5 이상 3 이하 : 0.5 이상 3 이하이고,
상기 제 2 고분자 분리막 및 제 3 고분자 분리막의 막면적 비는 1 : 0.3 이상 0.7 이하인 것인,
바이오메탄 정제 장치.
A biogas supply unit;
A compression unit for compressing the biogas supplied from the biogas supply unit;
The remaining substream of the first polymer separation membrane for removing carbon dioxide from the compressed gas in the compression section is connected to the second polymer separation membrane, the permeate stream of the second polymer separation membrane is connected to the fourth polymer separation membrane, And a purification section including a polymer separation membrane for gas separation, which is selectively connected to the methane recovery section or the third polymer separation membrane,
The purification unit may include:
A second-1 remaining sub-stream flow passage connecting the second polymer separation membrane and the methane recovery section and transferring the remaining sub stream of the second polymer separation membrane to the methane recovery section;
A second-2 residual stream flow passage connecting the second polymer separation membrane and the third polymer separation membrane and transferring the remaining fraction stream of the second polymer separation membrane to the third polymer separation membrane;
A first flow path opening / closing means provided in the 2-1 remaining flow downstream flow path for regulating opening and closing of the 2-1 remaining flow downstream flow path;
A second flow path opening / closing means provided in the second-2 residual flow path flow path for regulating opening / closing of the second-2 residual flow path flow path;
A measurement sensor for measuring a content of methane in the biogas introduced into the compression unit; And
And a controller connected to the measurement sensor, the first flow path opening / closing means, and the second flow path opening / closing means,
Wherein the measurement sensor senses the amount of methane in the biogas to be supplied to the compression unit and converts the content of the methane into an electrical signal form to transfer the electrical signal to the controller, And controls opening and closing of the first flow path opening / closing means and the second flow path opening / closing means,
Wherein the controller is configured to control the amount of methane contained in the biogas to be supplied to the compression unit from the measurement sensor when the amount of methane contained in the biogas is greater than or equal to 68 vol% and less than or equal to 75 vol% The first flow path opening and closing means is opened and the second flow path opening and closing means is closed so as to close the first flow path opening and closing means and the second flow path opening and closing means, The second flow path opening / closing means is opened and the first flow path opening / closing means is closed when receiving a signal corresponding to 60 vol% or more and less than 68 vol% with respect to 100 vol% of the total volume of the biogas put into the compression portion The opening and closing of the first flow path opening / closing means and the opening / closing of the second flow path opening /
The pressure ratio of the permeable portion to the remaining portion of the third polymer separator is adjusted to be 0.4 or more and 0.7 or less,
The membrane area ratio of the first to fourth polymer membranes is 1: 2 or more and 10 or less: 0.5 or more and 3 or less: 0.5 or more and 3 or less,
Wherein the membrane area ratio of the second polymer separator and the third polymer separator is 1: 0.3 or more and 0.7 or less,
Biomethane purification system.
상기 제 3 고분자 분리막 및 상기 압축부와 연결되고, 상기 제 3 고분자 분리막의 투과부 스트림을 상기 압축부로 재순환시키는 제 3 투과부 스트림 재순환 유로를 더 포함하는 것인,
바이오메탄 정제 장치.
8. The method of claim 7,
And a third permeate flow recirculation passage connected to the third polymer separator and the compression section for recirculating the permeate stream of the third polymer separator to the compression section.
Biomethane purification system.
상기 제 4 고분자 분리막 및 상기 압축부와 연결되고, 상기 제 4 고분자 분리막의 잔류부 스트림을 상기 압축부로 재순환시키는 제 4 잔류부 스트림 재순환 유로를 더 포함하는 것인,
바이오메탄 정제 장치.
8. The method of claim 7,
And a fourth residual substream recirculation flow channel connected to the fourth polymer separation membrane and the compression section and recirculating the remaining substream of the fourth polymer separation membrane to the compression section.
Biomethane purification system.
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AMND | Amendment | ||
PX0901 | Re-examination |
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PX0701 | Decision of registration after re-examination |
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